CN208241575U - 一种高效大功率车载dcdc电源 - Google Patents
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Abstract
本实用新型的高效大功率车载DCDC电源，车载燃料电池燃料电池的输出正极经熔断器依次连接有第一接触器、第一电抗器，燃料电池的输出负极连接有第二接触器，第一电抗器、第二接触器的输出端并联连接有第一电容，第一电容经DC/DC变换电路连接有滤波器，滤波器输出正极端经防反二极管连接至负载动力电池；DC/DC变换电路为初级boost电路、次级boost电路反向交错并联连接设置构成的双Boost拓扑结构；将燃料电池输出的不稳定的低电压，转化成稳定的高电压储存在动力电池中，供车上设备及驱动电机用，功率输出效率高，体积小重量轻，原材料损耗少，成本低廉。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种高效大功率车载DCDC电源。
背景技术
随着环境污染问题不断凸显，传统的石油能源早已无法满足现在的汽车工业的动力需求，性能优越的燃料电池被广泛认为是未来电动汽车能源方案的最佳选择；燃料电池是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置，氢燃料电池的燃料为氢气和氧气，其反应产物仅为水，因此氢燃料电池汽车达到了真正意义上的零排放、零污染。
由于氢燃料电池的输出电压低，波动较大，输出特性相对较软；若以燃料电池作为电动汽车的直接驱动电源，必须在燃料电池之后接入输出特性较硬的DC-DC变换器，由燃料电池和DC-DC变换器组成统一电源对整车供电；
现有技术中的DC-DC变换器的拓扑方案有主要分为隔离型DC/DC拓扑结构和非隔离型DC/DC拓扑结构，隔离型DC/DC拓扑电路主要有正激、反激、推挽、桥式、LLC串联谐振及其衍生拓扑等，非隔离型DC/DC拓扑电路主要有Buck/Boost、Cuk、Sepic及其衍生拓扑等；隔离型变换器拓扑元器件数量较多，占用空间大，安装操作繁琐，且燃料电池车载DC-DC变换器的动力需求较大，功率一般大于30kW，正激、反激、推挽类拓扑电路只能适合1kW功率以下电源，不能适应燃料电池车载电源功率需求；燃料电池的输出电压波动也较大，波动区域范围在几十伏至三四百伏之间，桥式拓扑在低压大功率时效率太低，也不能适应燃料电池车载电源的需求；非隔离型变换器虽然元件器数量相对较少，占用空间较小，例如Boost型变换器电路简单，输入电流连续，效率高，但是其二极管反向恢复损耗较大，导致系统效率降低。
发明内容
本实用新型所要解决的技术问题是，提供一种能够将燃料电池输出的不稳定的低电压，转化成稳定的高电压储存在动力电池中，为车载设备及驱动电机提供动力，功率输出效率高，体积小重量轻，原材料损耗少，成本低廉的高效大功率车载DCDC电源。
本实用新型的高效大功率车载DCDC电源，包括能够储存能量的车载燃料电池和能够为车载设备、驱动电机提供动力的负载动力电池，其特征在于：燃料电池的输出正极经熔断器依次连接有第一接触器、第一电抗器，燃料电池的输出负极连接有第二接触器，第一接触器输入端和输出端之间并联连接有预充电回路，第一电抗器、第二接触器的输出端并联连接有第一电容，第一电容经DC/DC变换电路连接有滤波器，滤波器输出正极端经防反二极管连接至负载动力电池；
DC/DC变换电路设置有若干并联连接的初级电抗器，每一初级电抗器分别对应连接有一初级IGBT整流模块构成若干初级支路，若干初级支路的输出端同时连接至初级输出电容构成初级boost电路；
DC/DC变换电路还设置有若干并联连接的次级电抗器，每一次级电抗器分别对应连接有一次级IGBT整流模块构成若干次级支路，若干次级支路的输出端同时连接至次级输出电容构成次级boost电路；
初级boost电路、次级boost电路反向交错并联连接设置构成双Boost拓扑结构；
所述若干初级电抗器的第一初级电抗器的输入端连接至输入电源正极，若干初级IGBT整流模块并联连接后的输出正级端连接至负载一端，若干初级IGBT整流模块并联连接后的输出负级端连接至电源负极；
若干次级电抗器的第一次级电抗器的输入端连接至输入电源负极，若干次级IGBT整流模块并联连接后的输出正级端连接至电源正极，若干次级IGBT整流模块并联连接后的输出负级端连接至负载另一端；
所述预充电回路为第三接触器和充电电阻串联连接构成的支路；
所述滤波器为LC滤波器，由并联连接的第二电抗器、第二电容构成；
所述若干初级电抗器、次级电抗器、初级IGBT整流模块、次级IGBT整流模块数量均≥4只；
所述若干初级电抗器、次级电抗器的铁芯材料为铁基纳米晶。
本实用新型的高效大功率车载DCDC电源，通过两级反向交错并联连接的Boost拓扑电路构成双Boost拓扑结构的DC-DC变换器，将燃料电池输出的不稳定的低电压，转化成稳定的高电压储存在动力电池中，供车上设备及驱动电机用，功率输出效率高，体积小重量轻，原材料损耗少，成本低廉；具体有益效果为：
1. 双Boost拓扑结构输入侧选用LC滤波器，燃料电池系统的输入纹波能够控制在2%以内；
2. 双Boost拓扑结构的DC-DC变换器的电感采用新型铁基纳米晶材料铁芯，在低于50kHZ时，在具有更低损耗的基础上具有2至3倍的工作磁感，磁芯体积可缩小一倍以上，采用一个磁芯多个绕组的结构模式，即多个线圈绕在同一个铁芯上，缩小了整体电抗器尺寸和重量，降低铜损耗，节约产品开发成本；
3.双Boost拓扑结构的DC-DC变换器输出滤波电容上的电压值为：
，大大降低了输出滤波电容上的电压值；
4．采用多路IGBT模块并联设置大大减小了前端boost电抗器上的纹波电流；在IGBT模块并联个数达到4只时，效率最高可达98%以上，而传统Boost电路效率只有90%；
5. 双Boost拓扑结构的DC-DC变换器可获得更高的电压增益，更适应于燃料电池低电压输入、高电压输出系统；
6.电路结构简单，元器件种类数量少，检修维护方便，核心模块采用IGBT模块，能够适应20kw以上大功率DC-DC电源产品使用需求，扩容能力强，满足燃料电池车的动力需求；
7. 双Boost拓扑结构的电路同样可应用于其它充放电电源系统。
附图说明
图1是本实用新型实施例高效大功率车载DCDC电源的系统结构示意图；
图2是本实用新型实施例高效大功率车载DCDC电源的DC/DC 变换部分电路示意图；
图3是本实用新型实施例高效大功率车载DCDC电源的DC/DC 变换部分简化电路示意图。
具体实施方式
如图所示，一种高效率大功车载DCDC电源，包括能够储存能量的车载燃料电池和能够为车载设备、驱动电机提供动力的负载动力电池，燃料电池的输出正极经熔断器FU1依次连接有第一接触器KM1、第一电抗器L1，燃料电池的输出负极连接有第二接触器KM2，第一接触器KM1输入端和输出端之间并联连接有预充电回路，第一电抗器L1、第二接触器KM2的输出端并联连接有第一电容C1，第一电容C1经DC/DC变换电路连接有滤波器，滤波器输出正极端经防反二极管VD1连接至负载动力电池；
DC/DC变换电路设置有若干并联连接的初级电抗器,分别为第一初级电抗器L11、第二初级电抗器L12……第N初级电抗器L1N，每一初级电抗器分别对应连接有一初级IGBT整流模块构成若干初级支路，第一初级电抗器L11、第二初级电抗器L12……第N初级电抗器L1N分别对应连接第一初级IGBT整流模块IGBT11、第二初级IGBT整流模块IGBT12……第N初级IGBT整流模块IGBT1N构成N条初级支路，N条初级支路的输出端同时连接至初级输出电容C11构成初级boost电路；
DC/DC变换电路还设置有若干并联连接的次级电抗器,分别为第一次级电抗器L21、第二次级电抗器L22……第N次级电抗器L2N，每一次级电抗器分别对应连接有一次级IGBT整流模块构成若干次级支路，第一次级电抗器L21、第二次级电抗器L22……第N次级电抗器L2N分别对应连接第一次级IGBT整流模块IGBT21、第二次级IGBT整流模块IGBT22……第N次级IGBT整流模块IGBT2N构成N条次级支路，N条次级支路的输出端同时连接至次级输出电容C12构成次级boost电路；
初级boost电路、次级boost电路反向交错并联连接设置构成双Boost拓扑结构。
若干初级电抗器的第一初级电抗器的输入端连接至输入电源U1的正极，若干初级IGBT整流模块并联连接后的输出正级端连接至负载一端，若干初级IGBT整流模块并联连接后的输出负级端连接至电源U1的负极；
若干次级电抗器的第一次级电抗器的输入端连接至输入电源U1的负极，若干次级IGBT整流模块并联连接后的输出正级端连接至电源U1的正极，若干次级IGBT整流模块并联连接后的输出负级端连接至负载另一端。
预充电回路为第三接触器KM3和充电电阻R1串联连接构成的支路；
滤波器为LC滤波器，由并联连接的第二电抗器L2、第二电容C2构成；
若干初级电抗器、次级电抗器、初级IGBT整流模块、次级IGBT整流模块数量均≥4只；
若干初级电抗器、次级电抗器的铁芯材料为铁基纳米晶。
本实用新型的高效大功率车载DCDC电源，通过两级反向交错并联连接的Boost拓扑电路构成双Boost拓扑结构的DC-DC变换器，将燃料电池输出的不稳定的低电压，转化成稳定的高电压储存在动力电池中，供车上设备及驱动电机用，功率输出效率高，体积小重量轻，原材料损耗少，成本低廉；具体有益效果为：
1. 双Boost拓扑结构输入侧选用LC滤波器，燃料电池系统的输入纹波能够控制在2%以内；
2. 双Boost拓扑结构的DC-DC变换器的电感采用新型铁基纳米晶材料铁芯，在低于50kHZ时，在具有更低损耗的基础上具有2至3倍的工作磁感，磁芯体积可缩小一倍以上，采用一个磁芯多个绕组的结构模式，即多个线圈绕在同一个铁芯上，缩小了整体电抗器尺寸和重量，降低铜损耗，节约产品开发成本；
3. 双Boost拓扑结构的DC-DC变换器输出滤波电容上的电压值为：
，大大降低了输出滤波电容上的电压值；
4．采用多路IGBT模块并联设置大大减小了前端boost电抗器上的纹波电流；在IGBT模块并联个数达到4只时，效率最高可达98%以上，而传统Boost电路效率只有90%；
5. 双Boost拓扑结构的DC-DC变换器可获得更高的电压增益，更适应于燃料电池低电压输入、高电压输出系统；
6.电路结构简单，元器件种类数量少，检修维护方便，核心模块采用IGBT模块，能够适应20kw以上大功率DC-DC电源产品使用需求，扩容能力强，满足燃料电池车的动力需求；
7. 双Boost拓扑结构的电路同样可应用于其它充放电电源系统。
具体技术方案：一种高效率的低电压宽范围输入、高电压稳定输出的大功率变换电源，解决电动汽车DCDC变换电源体积大，效率低的问题。
因为燃料电池车载DC-DC变换器的动力需求大，一般都在30kW以上，所以正激，反激，推挽这类的适合1kW以下电源的拓扑电路满足不了现有的动力需求；因为燃料电池的输出电压波动很大，通常可以从几十伏到三四百伏，桥式拓扑在低压大功率时效率太低，也不适合；Boost型变换器由于其电路简单，输入电流连续，效率高等特点在车载DCDC变换器领域得到大量应用，但它的二极管反向恢复损耗较大，导致系统效率降低。
在Boost拓扑的基础上设计出双Boost反向交错并联拓扑结构的DC-DC变换器，将燃料电池输出的不稳定的低电压，转化成稳定的高电压储存在动力电池中，供车上设备及驱动电机用；燃料电池的输出正极接熔断器FU1，再接一个正极接触器KM1，燃料电池的输出负极接接触器KM2，在KM1的输出端接入一个电抗器L1，L1的输出端和KM2的输出端并联一个电容C1，在KM1的输入端和输出端之间并联一个预充电回路， 接触器KM3和充电电阻R1串联的支路，然后再经过DC/DC变换电路，输出先经过L2,C2构成的滤波器，输出正极接一个防反二极管VD1，再接负载动力电池。FU1在线路中做短路保护和过载保护；L1,C1构成LC滤波器，主要作用是减小输入纹波;L2,C2主要作用是减小输出纹波；VD1的作用是防止电流倒灌，防止动力电池向燃料电池输电。
DC/DC 变换部分具体技术方案：
由电抗器L11，L12……L1N，IGBT模块11,模块12……模块1N，及输出电容C11构成1个N支路并联的boost电路。电抗器L11输入端接输入电源正极，模块11,12……1N并联输出后的正极接负载一端，模块11,12……1N并联输出后的负极接输入电源负极；由电抗器L21，L22……L2N ,IGBT模块21，模块22……模块2N，及输出电容C12构成1个N支路并联的boost电路。电抗器L21输入端接输入电源负极，模块21,22……2N并联输出后的正极接输入电源正极，模块21,22……2N并联输出后的负极接输入负载另一端。这样2路boost电路构成反向交错并联拓扑结构。
IGBT模块驱动功率小而饱和压降低，非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域；具有节能、安装维修方便、散热稳定等特点。
关键创新点：
反向交错并联双Boost拓扑结构适用于氢燃料电池DC-DC转换器，也适用于其他燃料电池系统。
用推理方式推导出本技术方案的优点：
1.燃料电池系统为了保护电池的性能，往往对输入纹波有很大的要求，一般要求控制在2%以内，本技术方案的拓反向交错并联双Boost拓扑结构中输入侧选用LC滤波器，选择合适的参数，可有效的解决这个问题 。
2. 本技术方案的拓反向交错并联双Boost拓扑结构，Boost变换部分的电感采用新型铁基纳米晶材料铁芯，在低于50kHZ时，在具有更低损耗的基础上具有2至3倍的工作磁感，磁芯体积可小一倍以上；采用一个磁芯多个绕组这种结构模式，就是把多个线圈绕在一个铁芯上，这样可减小整个电抗器尺寸和重量，减少了铜损耗，降低产品开发成本。
3.DC-DC变换器的输出端接车载动力电池，一般车载动力电池额定电压在600V左右，波动范围最大可达750V，因为电压值太高，加大了输出滤波电容的选择难度；本技术方案的拓反向交错并联双Boost拓扑结构，输出滤波电容上的电压值为：，大大降低了输出滤波电容上的电压值。
4．该拓扑电路，采用多路IGBT并联的方案，大大减小了前端boost电抗器上的纹波电流。在IGBT模块并联个数达到4只时，效率最高，可达98%以上，而传统Boost电路效率只有90%。
5.与传统Boost电路相比，该拓扑电路可获得更高的电压增益，更适应于燃料电池低电压输入，高电压输出系统。
6.该新型拓扑方案，电路简单，器件需求量少，维护方便，核心模块采用IGBT，可用于20kw以上大功率DC-DC电源产品 ，扩容能力强，满足燃料电池车的动力需求。
7.该新型拓扑方案，是一个双向拓扑，同样可应用于其它充放电电源系统。
Claims (6)
1.一种高效大功率车载DCDC电源，包括能够储存能量的车载燃料电池和能够为车载设备、驱动电机提供动力的负载动力电池，其特征在于：燃料电池的输出正极经熔断器依次连接有第一接触器、第一电抗器，燃料电池的输出负极连接有第二接触器，第一接触器输入端和输出端之间并联连接有预充电回路，第一电抗器、第二接触器的输出端并联连接有第一电容，第一电容经DC/DC变换电路连接有滤波器，滤波器输出正极端经防反二极管连接至负载动力电池；
DC/DC变换电路设置有若干并联连接的初级电抗器，每一初级电抗器分别对应连接有一初级IGBT整流模块构成若干初级支路，若干初级支路的输出端同时连接至初级输出电容构成初级boost电路；
DC/DC变换电路还设置有若干并联连接的次级电抗器，每一次级电抗器分别对应连接有一次级IGBT整流模块构成若干次级支路，若干次级支路的输出端同时连接至次级输出电容构成次级boost电路；
初级boost电路、次级boost电路反向交错并联连接设置构成双Boost拓扑结构。
2.根据权利要求1所述高效大功率车载DCDC电源，其特征在于：所述若干初级电抗器的第一初级电抗器的输入端连接至输入电源正极，若干初级IGBT整流模块并联连接后的输出正级端连接至负载一端，若干初级IGBT整流模块并联连接后的输出负级端连接至电源负极；
若干次级电抗器的第一次级电抗器的输入端连接至输入电源负极，若干次级IGBT整流模块并联连接后的输出正级端连接至电源正极，若干次级IGBT整流模块并联连接后的输出负级端连接至负载另一端。
3.根据权利要求1所述高效大功率车载DCDC电源，其特征在于：所述预充电回路为第三接触器和充电电阻串联连接构成的支路。
4.根据权利要求1所述高效大功率车载DCDC电源，其特征在于：所述滤波器为LC滤波器，由并联连接的第二电抗器、第二电容构成。
5.根据权利要求1所述高效大功率车载DCDC电源，其特征在于：所述若干初级电抗器、次级电抗器、初级IGBT整流模块、次级IGBT整流模块数量均≥4只。
6.根据权利要求1所述高效大功率车载DCDC电源，其特征在于：所述若干初级电抗器、次级电抗器的铁芯材料为铁基纳米晶。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| AV01 | Patent right actively abandoned | ||
| AV01 | Patent right actively abandoned | ||
| AV01 | Patent right actively abandoned |
Granted publication date: 20181214 Effective date of abandoning: 20231110 |
|
| AV01 | Patent right actively abandoned |
Granted publication date: 20181214 Effective date of abandoning: 20231110 |